Ebl fabricated plasmonic nanostructures for sensing applications
- Global styles
- Apa
- Bibtex
- Chicago Fullnote
- Help
Abstract
Plazmonik, fotoniğin metalik nanoyapılardaki ışık-madde etkileşimlerini ele alan önemli bir dalıdır. Plazmonik aygıtlar, optik frekanslarda, kırınım sınırının ötesinde, elektromanyetik salınımların çok küçük hacimlere hapsine imkan verir. Bu tez çalışmasında amacımız, optik localize yüzey plasmon resonans (LYPR) biyosensörü tasarımı, yüzeyde zenginleştirilmiş Raman spektroskopisinde (YZRS) Raman sinyalinin iyileştirilmesi ve fotodedektörlerde soğurumun iyileştirilmesinde plazmonikten yararlanılabileceğini göstermektir.İlk olarak, çevresel ortamdaki kırılma indisi değişikliklerini optik geçirim ölçümleri ile tespit eden bir sensör yapısı tasarlandı. Elektron Işın Demeti litografisi ile safir alttaş üzerine yazılan periyodik gümüş nano-disk dizinleri bu amaçla kullanıldı. Yapıların optik karakterizasyonu için geçirim/yansıma ölçümleri yapıldı ve ölçümler zaman düzleminde sonlu farklar yönteminin kullanıldığı simulasyonlar ile desteklendi. Sensörün doğrulaması ilk olarak biotin-avidin sistemi ile yapıldı. Sensör cevabının uygulamanın ardından ilk otuz dakika içinde doyuma ulaştığı gerçek zamanlı ölçümler ile gösterildi. Sensörün derişime bağımlılığı 1 nM-100 nM aralığında gereksinimi karşılayan bir cevap gösterdi. Kırılma indisi duyarlılığı 354 nm/RIU olarak hesaplandı. Son olarak, yöntem ısı tatbiki ile öldürülmüş E.Coli bakterisi tespiti için denendi. Yöntemin bakteri tespitinde de kullanılabileceğine dair umut verici sonuçlar elde edildi. İkinci olarak, çift rezonans davranışı gösteren, Au-SiO2-Au katmanların kesik nano-koniler şeklinde uc uca sıralı dizilimi ile oluşan yapıların, YZRS sinyal şiddetini arttırdığı, ilk defa bu çalışmada gösterilmiştir. İyileştirme faktörü hesapları 3.86 x107 mertebesinde bir sinyal arttırımı olduğunu ortaya koymuştur. Çift rezonanslı tasarım, tek rezonanslı eşleniğinin 10 katı sinyal artışı sağlamıştır. Bu iyileştirmenin yakın infrared-YZRS and yüzeyde zenginleştirilmiş hiper Raman saçılımı (YZHRS) tekniklerinde daha da belirgin bir artış sağlayacağı düşünülmektedir. Bir diğer çalışmada, ?eşlenik?, dielektrik bir ara halka ile ayrılmış, çift katlı, eş merkezli, periyodik altın halkalardan oluşan SERS alttaşının düz altın filmden 630 kat, aşındırılmış eş merkezli halka yapılarından da 8 kat fazla Raman sinyali artışı sağladığı gösterilmiştir. Bu çalışma içinde 1.67x107 mertebesinde bir iyileştirme faktörü hesaplanmıştır. Son olarak, Metal-Yarıiletken-Metal (MYM) fotodedektörlerin soğurma ve fotoakım toplama performansları, UV dalgaboylarında rezonans gösteren Al nanoparçacıklar sayesinde 1.5 kata kadar iyileştirilmiştir. Bu çalışma ile UV bölgede plazmonik iyileştirme ilk olarak gösterilmiştir. Benzer bir çalışmada yine GaN üzerindeki bir diger MYM dalgaboyu-altı fotodedektörününün performansında, dedektöre eklenen kırınım ağı tasarımı sayesinde resonans dalgaboyunda 8 katlık bir fotoakım artışı sağlanmıştır. Plasmonics is a major branch of photonics dealing with light-matter interactions in metallic nanostructures. Plasmonic devices provide extreme confinement of electromagnetic oscillations to very small volumes beyond diffraction limit at optical frequencies. Our aim in this thesis study is to demonstrate the utilization of plasmonics for several applications such as optical localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensor design, enhancement of signal intensity in surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and absorption enhancement in photodetectors.Firstly, a sensor structure that detects the changes in the refractive index of the surrounding medium by optical transmission measurements was designed. Periodic silver nano-disk arrays on sapphire substrate written by Electron-Beam Lithography (EBL) were used for this aim. Optical characterization was done through transmission/reflection measurements and supported by finite difference time domain (FDTD) simulations. The sensor was first verified by a biotin-avidin bioassay. Real time binding studies showed that the sensor response was saturated within the first 30 minutes of application. Concentration dependency of the sensor structure showed an adequate response at the 1 nM-100 nM range. The refractive index sensitivity of the sensor was determined as 354 nm/RIU. The idea was finally applied to the detection of heat killed E.Coli bacteria. Promising results that indicate the possibility of using the sensor for bacteria detection was obtained. Secondly, tandem truncated nano-cones composed of Au-SiO2-Au layers that exhibit highly tunable double resonance behavior were shown to increase SERS signal intensity, for the first time. Enhancement factor (EF) calculations indicated an enhancement factor of 3.86 x107. The double resonance design showed a 10 fold better enhancement when compared to its single resonance counterpart. This enhancement is believed to be even more prominent for applications such as NIR-SERS and Surface Enhanced Hyper Raman Scattering (SEHRS). Another SERS substrate containing dual layer, periodic, ?coupled? concentric rings, separated by a dielectric spacer provided Raman signal intensity 630 times larger than plain gold film and 8 times larger than an ?etched? concentric ring structure. The design provided an enhancement factor of 1.67x107. Finally, Al nanoparticles with plasmonic resonance at UV wavelengths fabricated in between the Schottky contacts of an MSM detector on semi-insulating GaN was shown to yield 1.5 fold enhancement in absorption and photocurrent collection. Plasmonic enhancement in UV was studied for the first time with this study. Another UV-MSM photodetector on GaN that includes subwavelength apertures surrounded by nano-structured metal gratings was compared to a conventional design without gratings. Results indicated an 8 fold enhancement in the photocurrent at the resonant wavelength.
Collections